[發明專利]一種基于自適應窗長的船舶螺旋槳空化噪聲調制譜特征保真增強方法

有效

• 申請號: 201811036574.9
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109285561B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 方世良;朱傳奇;羅昕煒;安良
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G10L25/45
• 分類號: G10L25/45;G10L25/48;G10L25/51
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

本發明公開了一種基于自適應窗長的船舶螺旋槳空化噪聲調制譜特征保真增強方法，該方法包括如下步驟：第一步：對船舶螺旋槳空化噪聲信號進行寬帶平方解調；第二步：預估解調譜，檢測解調譜線譜位置，并給出各線譜頻域信噪比；第三步：確定各線譜頻率相對于螺旋槳軸頻頻率預估值的諧波次數；第四步：對各線譜頻率進行加權融合，估計螺旋槳軸頻頻率；第五步：根據估計的螺旋槳軸頻頻率自適應調整解調譜分析窗長，對解調譜進行二次估計。本發明利用船舶螺旋槳空化噪聲各解調譜線譜頻率和螺旋槳軸頻頻率之間存在的固有整數倍關系，根據估計的螺旋槳軸頻頻率自適應調整解調譜分析窗長，對解調譜進行二次估計，獲取調制譜特征保真增強的解調譜。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，尤其涉及一種基于自適應窗長的船舶螺旋槳空化噪聲調制譜特征保真增強方法。

背景技術

螺旋槳噪聲包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳旋轉噪聲兩大主要成分。螺旋槳空化噪聲是由螺旋槳旋轉時產生的大量氣泡破裂引起的。由于這些氣泡大小不等且隨機破裂，空化噪聲具有平穩連續譜的性質。而螺旋槳旋轉噪聲又被稱為“唱音”，這是由于螺旋槳旋轉時，大量氣泡的產生和破裂具有準周期的特點而引起的。相關文獻和實驗表明“唱音”表現為疊加在連續譜上的線譜分量，其頻率與螺旋槳的轉速和葉片數直接相關，滿足關系：f_i＝i*n_b*f_p，其中n_b為螺旋槳的葉片數，f_p為螺旋槳軸頻頻率，i是諧波次數，f_i是相應的頻率。可以看出，各線譜間存在諧波關系，軸頻頻率為各次諧波頻率的基頻頻率。另外，在艦船航行過程中，螺旋槳葉片的高速旋轉會對螺旋槳空化噪聲的幅度產生周期性調制。因此，螺旋槳噪聲存在包絡周期調制，調制頻率為螺旋槳轉動的軸頻、葉頻，載頻為螺旋槳空化噪聲。

通常采用寬帶平方低通檢波法獲取螺旋槳空化噪聲的調制信號，然后采用周期圖法對解調譜進行分析，推斷螺旋槳轉速和葉片數。實際處理中，由于螺旋槳空化噪聲信號持續時間有限或計算機處理需要，用離散傅里葉變換做譜分析，在采樣的同時必須在時域中對其截短，這就可能發生頻譜泄露。頻譜泄露會降低解調譜線譜特征信噪比、破壞真實解調譜線譜特征結構。因此，在解調譜分析中應設法降低周期信號的非整周期截短帶來的頻譜泄露。

目前國內外學者提出了許多降低周期信號非整周期截短帶來的譜泄露的方法，主要有：(1)在截短時用漢寧窗取代矩形窗，該方法雖然能夠在一定程度上降低譜泄露，但加漢寧窗會使離散傅里葉變換的結果有更寬的旁瓣；(2)將小波變換與離散傅里葉變換組合，即將小波變換用于原始信號采樣，然后用離散傅里葉變換去做譜分析，雖然該方法能提高頻率估計精度，但并未從根本上減小周期信號非整周期截短帶來的譜泄露；(3)基于迭代相關計算自適應地估計用于消除周期信號非整周期截短離散傅里葉變換譜泄露的窗長，該算法雖然原理簡單易于實現，但要求信號具有較高信噪比，在信噪比低于一定門限時，窗長估計精度隨著信噪比的降低急劇下降。

發明內容

發明目的：針對上述現有方法存在的問題和不足，本發明提供了一種基于自適應窗長的船舶螺旋槳空化噪聲調制譜特征保真增強方法，該方法利用船舶螺旋槳空化噪聲各解調譜線譜頻率和螺旋槳軸頻頻率之間存在的固有整數倍關系，基于線譜頻域信噪比和頻率諧波次數，對各線譜頻率進行加權融合估計螺旋槳軸頻頻率，然后根據估計的螺旋槳軸頻頻率自適應調整求取解調譜的分析窗長，獲取調制譜特征保真增強的船舶螺旋槳空化噪聲解調譜。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種基于自適應窗長的船舶螺旋槳空化噪聲調制譜特征保真增強方法，該方法包括如下步驟：

(1)對船舶螺旋槳空化噪聲信號x[n]進行寬帶平方解調，得到解調信號s[n]，n＝1，2，...，N，所述N為船舶螺旋槳空化噪聲信號采樣點個數；